Badania modelowe wpływu interferencji aerodynamicznej otoczenia ródmiejskiego na budynek wysoko ciowy

Transkrypt

1 Budownictwo i Architektura 12(2) (2013) Badania modelowe wpływu interferencji aerodynamicznej otoczenia ródmiejskiego na budynek wysoko ciowy Grzegorz Bosak 1 1 Laboratorium In ynierii Wiatrowej, Instytut Mechaniki Budowli, Wydział In ynierii L dowej, Politechnika Krakowska, e mail: GBosak@interia.pl Streszczenie: Praca przedstawia wyniki bada modelowych w tunelu aerodynamicznym wpływu interferencji aerodynamicznej na działanie wiatru na wysoko ciowy budynek projektowany w centrum Warszawy. Badania przeprowadzono w Laboratorium In ynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej. Mierzono ci nienia wiatru na powierzchniach zewn trznych modelu budynku, umieszczaj c pocz tkowo tylko model budynku w przestrzeni pomiarowej a nast pnie model budynku wraz z najbli szym otoczeniem. Celem pracy było okre lenie charakteru zmiany działania wiatru na budynek wywołanej otoczeniem interferencyjnym najbli szego s siedztwa. Porównano współczynniki ci nienia wiatru na powierzchniach oraz zmian poziomego globalnego działania wiatru na konstrukcj w skali rzeczywistej. Słowa kluczowe: pomiary ci nie wiatru, interferencja aerodynamiczna, tunel aerodynamiczny, budynek wysoko ciowy. 1. Wprowadzenie Przedmiotowy budynek, Echo Tower, o wysoko ci 155m zlokalizowany jest w cisłym centrum Warszawy w kwartale zabudowy wyznaczonym przez: Aleje Jana Pawła II, oraz ulice: Grzybowsk i Tward. Zaprojektowany budynek znajduje si w centrum miasta, charakteryzuj cym si zwart zabudow. Zarówno wzdłu ulicy Grzybowskiej a tak e po obu stronach Alei Jana Pawła II znajduj si budynki o redniej wysoko ci około 40 m z dominant budynków Hotelu Westin, TP SA Tower oraz PZU SA, których wysoko wynosi ponad 100 m. W badaniach uwzgl dniono tak e dwa budynki wysoko ciowe, których budowa planowana jest w obr bie analizowanego otoczenia. Wie owiec Gminy ydowskiej to konstrukcja o wysoko ci 170 m i oddalona od analizowanego budynku o około 220 m. Wysoko Cosmopolitan Tower, drugiego planowanego budynku, jest równa 160 m przy podobnej odległo ci w planie jak budynku poprzedniego. Wizualizacja budynku Echo Tower wraz z otoczeniem jest prezentowana na rys.1. Rys. 1. Wizualizacja budynku Echo Tower wraz z otoczeniem

2 80 Grzegorz Bosak Celem bada w tunelu aerodynamicznym było okre lenie wpływu otoczenia budynku na zmian redniego działania wiatru na powierzchnie zewn trzne konstrukcji a w sposób po redni równie na zmian poziomego, globalnego działania wiatru na wysoko ciowiec w skali rzeczywistej. 2. Opis przeprowadzonych bada w tunelu aerodynamicznym Badania przeprowadzono w tunelu aerodynamicznym Laboratorium In ynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej wykorzystuj c sztywny model budynku wraz z otoczeniem wykonany w skali 1:250. Budynek, pod wzgl dem aerodynamicznym, jest brył o płaskich powierzchniach i ostrych kraw dziach Symulacja warstwy przyziemnej W pierwszym etapie bada ustalono struktur przepływu w przestrzeni pomiarowej zgodn z przyj tymi zało eniami dotycz cymi warunków wiatrowych wyst puj cych w miejscu lokalizacji projektowanego obiektu przedstawionymi w [1]. Struktur przepływu uformowano dzi ki elementom modyfikuj cym przepływ (rys. 2), to jest iglicom typu IA10 (o wysoko ci 1m), barierce Bz2 (o wysoko ci 20cm) i klockom wysuni tym na wysoko 3cm. Rys. 2. Elementy turbulizacyjne wykorzystane podczas bada Struktur przepływu powietrza w tunelu aerodynamicznym zmierzono niezale nie przy pomocy zestawu termoanemometrycznego oraz grzebieniow sond ci nie. Pomiar termoanemometryczny został wykonany w 6 punktach poło onych w osi tunelu na wysoko ciach od 115 mm do 825 mm nad podłog w odległo ci 1420 mm od osi modelu w kierunku nawietrznym w strefie niezaburzonej przez model, w której doszło ju do uformowania struktury przepływu dzi ki elementom turbulizacyjnym. Pomiar grzebieniow sond ci nie wykonano w trzech pionowych osiach znajduj cych si w tej samej płaszczy nie tunelu w której wykonano pomiar termoanemometryczny. Punkty pomiarowe znajdowały si na wysoko ciach od 200mm do 600mm. Nast pnie wykonano regresj (rys. 3) metod najmniejszych kwadratów funkcji prawa pot gowego redniej pr dko ci wiatru otrzymuj c zale no : ( ) α ref ref ref V( z) = V z/ z ; z = 0,6m (1) z parametrami uj tymi w Tabeli 1. Tabela 1. Warto ci parametrów prawa pot gowego Parametry Termoanemometry Sonda ci nie 0,338 0,354 v ref m/s 15.6 m/s Na podstawie pr dko ci referencyjnej pochodz cej z pomiaru ci nieniowego (15.6m/s) okre lono ci nienie referencyjne q ref =150 Pa.

3 Inżynieria Wiatrowa Badania modelowe wpływu interferencji aerodynamicznej Rys. 3. Pionowy profil redniej pr dko ci przepływu w tunelu aerodynamicznym W termoanemometrycznych punktach pomiarowych okre lono intensywno turbulencji, co przedstawia rys. 4 wraz z dwiema krzywymi teoretycznymi. Rys. 4. Pionowy profil intensywno ci turbulencji wraz z krzywymi teoretycznymi Poziom turbulencji na wysoko ci badanego obiektu jest wystarczaj cy ze wzgl du na zalecenia proponowane przez ISO. Okre lono spektrum g sto ci widmowej mocy pr dko ci wiatru. Przykładowe wyniki pokazuje rys. 5. S one dobrze zgodne z teoretycznym modelem Davenporta. Rys. 5. Spektrum g sto ci widmowej mocy pr dko ci dla punktu pomiarowego na wysoko ci 620 mm; regresja metod najmniejszych kwadratów funkcji spektrum Davenporta

4 82 Grzegorz Bosak 2.2. Podstawowa charakterystyka bada w tunelu aerodynamicznym Badania w tunelu aerodynamicznym wykonano w dwóch sytuacjach pomiarowych: w sytuacji S w przestrzeni pomiarowej tunelu umieszczono tylko model analizowanego budynku (por. rys.6a), natomiast w sytuacji I model budynku wraz z otoczeniem (por. rys.6b). a) b) Rys. 6. Sytuacje pomiarowe w tunelu aerodynamicznym: a) sytuacja S, b) sytuacja I Rejestracji podlegały przebiegi czasowe ci nienia wiatru na powierzchniach zewn trznych modelu budynku w 219 punktach pomiarowych (p.p.). Długo rejestrowanego przebiegu czasowego wynosiła 15 s, który próbkowano z cz stotliwo ci 200 Hz. Uwzgl dniono w badaniach 40 kierunków wiatru w pełnym zakresie zmiany k ta od 0 do 360 co 10 oraz 4 dodatkowe kierunki: 45, 135, 225 oraz 315. Kierunek wiatru 0 jest przeciwny do osi X globalnego układu współrz dnych (por. rys. 7). Pozostałe kierunki odmierzane s zgodnie ze skr tno ci układu współrz dnych (por. rys. 7). Skala liniowego podobie stwa geometrycznego modelu wynosiła 1:250. W badaniach wykorzystano elektroniczny skaner ci nienia, system termoanemometryczny oraz rurk Pitota. Na podstawie wykonanych pomiarów wyznaczono rozkłady aerodynamicznych współczynników redniego ci nienia zewn trznego wiatru na 32 opomiarowanych powierzchniach analizowanego budynku (płaszczyznach cian i dachu). Powierzchnie opomiarowane stanowi 99% ogólnej powierzchni zewn trznej konstrukcji. Rozkłady współczynników ci nienia zewn trznego wiatru na poszczególnych obszarach ( cianach i dachu) wyznaczono poprzez interpolacj, bazuj c na rednich warto ciach ci nie wiatru otrzymanych w punktach pomiarowych. Za kryterium porównawcze wpływu interferencji otoczenia na budynek przyj to porównanie globalnego, poziomego działania wiatru w dwóch analizowanych sytuacjach pomiarowych. Szczytowe poziome działanie wiatru na budynek w skali rzeczywistej otrzymano poprzez wykorzystanie współczynników aerodynamicznych ci nienia wiatru z bada w tunelu oraz okre laj c szczytowe ci nienie pr dko ci wiatru na wysoko ci referencyjnej w skali rzeczywistej wła ciwe obszarowi Warszawy. Nast pnie przeprowadzono sumowanie działa wywierane na poszczególne płaszczyzny zgodnie z wzorem (2). 32 F ( dir) = q ( z ) C ( x, y, z, dir) A ( x, y, z) n ( p) gdzie: k= x,y (2) k p ref pe p k p= 1 Ap

5 Inżynieria Wiatrowa Badania modelowe wpływu interferencji aerodynamicznej Rys. 7. Składowe globalnej siły poziomego działania wiatru na budynek Przy sumowaniu działa1 zało ono jednoczesno wyst powania szczytowych warto ci ci nienia na wszystkich powierzchniach. Tym samym otrzymane warto ci poziomych globalnych sił działania wiatru nale y przyj jako oszacowanie górne. Poziome działania globalne otrzymano w dwóch sytuacjach pomiarowych S i I. W celu okre lenia znaczenia wpływu interferencyjnego wprowadzono współczynnik interferencyjny sił zgodny z wzorem (3). I I S F H H c H F ( dir) F ( dir) ( dir) = 100% (3) S max F ( dir) S gdzie: FH - moduł wektora sumy sił redniego poziomego działania wiatru na budynek w I sytuacji pomiarowej S, FH - moduł wektora sumy sił redniego poziomego działania wiatru na budynek w sytuacji pomiarowej I. 3. Wyniki bada Warto ci składowych F x, F y globalnej siły poziomego działania wiatru na budynek (skala rzeczywista) w sytuacji pomiarowej S prezentuje rys. 8. Przy poszczególnych markerach okre lono kierunek wiatru oraz odpowiadaj ce mu warto ci składowych F x, F y wyra one w MN. Lini przerywan, w celu porównawczym, przedstawiono warto ci otrzymane w sytuacji I.

6 84 Grzegorz Bosak Rys. 8. Warto ci składowych Fx, Fy globalnej siły poziomego działania wiatru na budynek (skala rzeczywista) w sytuacji pomiarowej S na tle rezultatów otrzymanych w sytuacji I (linia przerywana) Analogiczne warto ci w sytuacji pomiarowej I zestawiono na rys. 9. Lini przerywan zaznaczono warto ci wła ciwe dla sytuacji S. Rys. 9. Warto ci składowych Fx, Fy globalnej siły poziomego działania wiatru na budynek (skala rzeczywista) w sytuacji pomiarowej I na tle rezultatów otrzymanych w sytuacji S (linia przerywana)

7 Inżynieria Wiatrowa Badania modelowe wpływu interferencji aerodynamicznej Na rys. 10 zamieszczono diagram współczynnika interferencji oraz plan budynku wraz z uwzgl dnianym otoczeniem. Ujemne warto ci wyra one w procentach na diagramie wskazuj na osłaniaj cy charakter otoczenia budynku w odniesieniu do globalnego działania wiatru na konstrukcj. Charakter osłaniaj cy jest zró nicowany w zale no ci od kierunku wiatru. a) b) Rys. 10. Diagram współczynnika interferencji (a) w odniesieniu do planu budynku wraz z otoczeniem (b) 4. Wnioski ko cowe Na podstawie przeprowadzonych bada okre lono nast puj ce wnioski: Otoczenie budynku, w odniesieniu do działania globalnego, ma charakter osłaniaj cy, zmniejszaj cy działanie wiatru na konstrukcj ; Znaczne zmniejszenie modułu siły poziomego działania wiatru wyst puje przy kierunkach napływu od strony TP S.A. Tower (30 )- redukcja 32 %, PZU Tower (180 )- redukcja 12 %, Westin Hotel (280 )- redukcja 28 %; Najwi ksza redukcja działania wiatru, wyra ona w spadku modułu siły poziomej, wyst puje przy k cie napływu 70-80, dla którego efekty osłaniaj ce budynków: TP S.A. Tower, Cosmopolitan Tower oraz Wie owca Wspólnoty ydowskiej sumuj si ; redukcja modułu poziomej siły działania wiatru jest w tym przypadku równa około 35%; W przypadku działa miejscowych od strony napływaj cego strumienia powietrza, w rozległych obszarach ni ej poło onych, charakter osłaniaj cy otoczenia skutkuje zmian ci nienia parcia na ci nienie ssania; Nie obserwuje si zwi kszenia intensywno ci ci nienia parcia; Miejscowo wyst puje znacz ce zwi kszenie poziomu ci nienia ssania, głównie w strefach przy kraw dziach cian; Najwi kszy efekt zmiany warto ci ci nienia, w odniesieniu do ekstremalnego poziomu ci nienia wyst puj cego na powierzchni konstrukcji w sytuacji braku interferencji (brak otoczenia), dochodzi do poziomu 50 %; Na dachu i wy ej poło onych obszarach wie y konstrukcji nie obserwuje si znacz cych wpływów interferencyjnych, z wył czeniem kierunków napływu od strony najwy szych budynków otoczenia (kierunki napływu wiatru od 30 do 80 ).

8 86 Grzegorz Bosak Literatura 1 Flaga A., Bosak G., Kłaput R., Flaga Ł., Kimbar G. Badania modelowe w tunelu aerodynamicznym i analizy studialne oddziaływa wiatru dla projektowanego budynku wysoko ciowego u zbiegu al. Jana Pawła II i ul. Grzybowskiej w Warszawie, Raport z bada, Politechnika Krakowska, Kraków Wind tunnel tests of aerodynamic interference of the highrise building and its nearest city surroundings Grzegorz Bosak1 1 Wind Engineering Laboratory, Department of Structural Mechanics, Faculty of Civil Engineering, Cracow University of Technology, e mail: GBosak@interia.pl Abstract: The paper summarizes the results of wind tunnel tests of the influence of aerodynamic interference on wind action of a high-rise building design in Warsaw. Measurements were accomplished in Wind Engineering Laboratory of Cracow University of Technology. Wind pressures on external surfaces of the building model were acquired in two different situations. Firstly, only the building model was placed in the tunnel working section, secondly, the building model with the nearest surroundings was taken under consideration. A study of the character of wind action differences caused by the nearest surroundings of the building was the main aim of the paper. Wind pressure coefficients on the external building surfaces and the difference of horizontal wind action on full scale were compared. Keywords: wind pressure measurements, aerodynamic interference, wind tunnel, high-rise building